WiMAX面临之无线问题仍需技术再突破

随着技术之演进，大频宽高频谱已然成为无线通讯之趋势，因为高速资料传输的需求，所以频宽的设定必须逐步成长，从GSM的二代行动通讯到WCDMA的三代演进，占用的频宽一直呈倍数来增加，而在固有频谱不敷使用的情形下，各项技术只好朝高频带发展。

然而高频带虽然有足够的频宽来使用，但是各项技术问题亦接踵而来。除了需要制程技术之持续突破外，更大的问题是无线电磁波的传播特性却随之衰褪。根据COST 231模型可知，电磁波的传递有直射、反射、绕射及散射等各种形式，而每种传输模式都会因频率的上升而造成性能的下降，尤其在室内的衰减更是明显。举例来说，该模型在室内定义了所谓的楼层穿透力衰减，在900MHz的频率系统下，该衰减值为2dB左右，然而当频率升至1800MHz时，衰减值竟到达12dB～20dB。而目前之通讯技术使用之频带动辄2GHz或3GHz，其性能之降低，是各通讯技术人员不可忽视的重要问题之一。

接着在基频讯号处理上OFDM目前几乎成为次世代通讯技术的主流，其多载波的特性克服了通讯技术上最棘手的多路径问题，且各载波正交以最佳化频宽使用效率的优势，使其成为多载波技术的不二选择，因此各项新制定之通讯实体层技术几乎都选择OFDM技术。但是OFDM仍然存在未解决的问题，其一是载波间干扰（ICI）的问题，其二则是峰值功率比（PAPR）的损失。这些问题随着OFDM技术开始研发制造，并实际布建与商用之后已逐渐受到重视。

以PAPR的问题而言，一般WiMAX技术中PAPR所造成的峰值与均值功率的比值可达6～12dB，以倍数来看是4～16倍，也就是说这些为了应付这些峰值的需求，产品必须提供倍数的传输能力，其影响最主要的元件，就是射频模组中的功率放大器（PA）。举例来说，现行用户端装置的PA设计功率大概为1W，而为了满足PAPR的需求，则必须使用4W或什至16W的PA，以用户端的角度来看根本无法产品化，且用户端产品的成本与功耗将完全由PA元件所主导。

讯号重复器之力有未逮

因此根据上述的现行问题分析，讯号涵盖能力将成为下一代通讯技术的重要挑战，整理如下。

因此各种能力增进之技术也相继提出，如微型（pico-cell）基地台、家用小型（femto-cell）基地台、中继站等，其中讯号重复器也成为讨论之解决方案之一。

讯号重复器目前已经普遍使用于现存的2G/3G电信系统，其功能是在天线端讯号撷取后，直接放大一个固定的增益，接着再将讯号由另一个天线传送出去。因为所有的处理都在射频，而不经过基频讯号的处理与重生，所以又称为类比讯号重复器。

以类比方式重复讯号的方法，在射频技术上难度相当高，例如传送端与接收的阻隔能力必须足够，否则传送之讯号将会被接收端所接收而再次放大，造成整个增益回路的过饱和，甚至接收端元件的损坏。因此在实务上，讯号重复器会以地理位置与环境结构作为区隔，例如接收器与传送器分置于室内与室外来有效阻隔能量，并配合干扰消除技术来解决剩余的耦合讯号。

而中继站技术的产生正好可以克服讯号重复器能力之不足，可分成几点来比较。首先是数位的增益，讯号经过中继站后将会进入基频讯号的处理，依解调变、解错误更正码等程序，把讯息以数位方式重现，其中解错误更正码处理具有资料更正之能力，可提高讯息之准确度。另外是分时收送的区隔，中继站技术在接收讯号与传输讯号在时间上是分开的，所以可以避免射频模组需同时服务讯号的传送与接收所造成的问题，而讯号重复器的传输与接收讯号间耦合的问题也不会发生，射频模组的设计可以更加简单。不过在基频​​讯号处理以及通讯协定处理上实作的复杂度却明显增加，例如讯框架构的改变以及同时需支援上下行讯号的处理。一般而言，中继站的复杂度几乎可以看成一个用户端装置以及一半的基地台实作复杂度的总和。

穿透式中继站的技术研发

接下来从IEEE 802.16j标准的定义来讨论穿透式中继站技术的实作与开发，首先如图一为IEEE 802.16j所定义的穿透式中继站讯框架构，其中DL Subframe与UL Subframe分别代表下行与上行的子讯框，这两组子讯框分别再被切割成两个区段来服务与基地台和用户台的连接与转传。以上行的子讯框为例，中继站将在UL Access Zone区段接收用户台讯号，并于UL Relay Zone将讯号传送给基地台，因此在实体层的实作上并需同时支援上行的传输讯号处理以及上行的接收讯号处理，再加上控制讯息的处理，则整个中继站实体层比起用户台或是基地台，将多了一倍以上的复杂度。

《图一 IEEE 802.16j定义之T-RS讯框架构图》 数据源：IEEE 802.16j Draft 3

另外在通讯协定层的处理上，中继站在MAC层的通讯协定部分，有以下几种程序的定义。

首先在中继站入网程序的部分，与一般的用户端装置直接与基地台接取进入网路的程序大致相同，除了在入网的程序时，必须让基地台清楚目前连上网路的是一般的用户装置还是中继站。在标准的定义中，可使用所谓的专属测距码方式，在一开始测距的程序时，就让基地台知道是中继站入网。所以当完成注册程序后，基地台会主动发布RS_CONFIG.CMD的命令，通知中继站开始进行中继功能的服务。

而在中继站协助用户端装置入网的程序则定义了中继站必须随时监听测距竞争区间的讯号，并将接收品质回报基地台。因为用户端入网时，一开始就执行测距的程序，所以所有穿透式中继站以及基地台都将收到这个测距的讯号，接着基地台再根据接收品质的好坏，来判断由那个中继站或是基地台自己来服务这个用户端装置。

再来即是最重要的资料转传程序，如图二所示，在穿透式中继站的架构下，所有排程工作皆是由基地台来处理，因此基地台必须清楚知道哪些中继站服务哪些用户端装置，以及排程中继站将传送多少资料到达基地台。在标准中提供了许多这类路径管理与规划的方法，其中最简单的实现方式是所谓的丛组递交的方式，这种方式直接使用MAP来通知中继站需要接收的用户台资料位置，而不需监视用户端装置与基地台的路径建立资讯以及内部产生路径规划的资料结构来达到资料转传的目的。该机制可大幅降低中继站在MAC层的复杂度，并有机会将之实作于硬体来加速协定层的处理速度。

《图二 中继站的丛组递交数据转传表示图》 作者自行绘制

IEEE 802.16j技术标准之盲点

中继站的技术的确为即将面临的无线问题提供了一套解决方案，而且技术内容也有许多创新的部分，然而中继站技术仍算是一项新兴的技术，因此成熟度上仍显不足，在此将简略提出几项技术标准考虑未周延的问题来与读者分享穿透式中继站技术中，尚未解决的盲点。

首先是服务之中继站切换的问题，因为用户端装置有可能因为移动，而造成原本服务的中继站需要做切换。而标准中在穿透式中继站模式下，先行假设用户端装置会持续且不定期的发送测距码，因此各中继站及基地台只要持续监视测距码的区间，自然可以适应性的切换到合适的服务站台，所以并没有针对穿透式模式下，中继站切换的问题来进行处理。不过持续且不定期的发送测距码的假设却不一定是成立的，当用户有一持续且不中断的服务时，例如UGS（Unsolicited Grant Service）的服务，用户端装置并不会发送测距码，因此将造成中继台无法切换。然而该项服务其实是应用于常态的语音连线服务。所以当顾客使用资料传输时不会有问题，反而是打电话时却造成断讯，这种情况是不会被一般通讯服务所接受的。

接着则是中继站与用户端装置的同步问题，如图三所示。目前在WiMAX系统下，使用的同步技术是用户端对基地台先进行点对点的开回路同步，接着配合通讯协定的沟通再进行闭回路的同步，而当穿透式中继站加入后，用户端依然针对基地台的下行讯号执行开回路同步，而仅在用户端传送测距码时，才有机会与中继站进行闭回路同步。因此大部分的时间中继站与用户端是呈现非同步的状态，而造成时序的漂移以及频率的误差。这些问题都会让中继站与用户端的连线品质变得不佳，而失去了中继站中继讯号的美意。

（来源：作者自行绘制）

《图三 中继站在物理层同步处理误差的示意图》

另外中继站需要同时接受基地台讯号以及用户端讯号，而两者讯号水平不匹配的情况也是技术标准中不曾提及的问题，如图四所示。穿透式中继站的RF模组只有一组，因此接收讯号的增益调整也只有一个，但是穿透式中继站却需要同时接收基地台所发送的下行讯号以及用户端所发送的上行讯号。当用户端一开始进行入网时，用户端的功率调整会依照接收到的基地台讯号大小来判断可能的路径损失，而用开回路补偿路径损失的方式来定义初始讯号的大小。因此中继站一定会收到一个比下行讯号高出许多的上行讯号，但是接收增益却无法事先得知而随之调整，因此接收器将造成饱和以致无法辨识资料。

此外在应用上，中继站绝大部分是非常贴近用户端的，所以用户端对中继站的路径损失会变得非常小。可想而知，最差的情形将是当中继站的接收器收到0dBm强度以上的讯号时，RF模组极可能因为接收讯号过强而导致损坏，而这个问题是中继站布建时必须审慎考虑的。

（来源：作者自行绘制）

《图四 中继站面对客户端与基地台讯号水平未匹配的示意图》

穿透式中继站之应用

虽然现行的穿透式中继站技术仍有许多待解决问题，但是这项新技术的可能应用却依然令人期待，因此许多电信营运商相当关心穿透式中继站技术的成熟与否。而其技术受欢迎的应用主要有以下两项：

电信营运商在布建网路时，其涵盖范围的决定通常会考虑讯号品质以及用户密度。以目前而言，WiMAX的营运才刚要起步，用户数量不会太多，所以能以最少的基地台来服务最大的范围是目前布建的思考方向。然而经过本文先前的探讨，了解到目前用户端的讯号传输能力有限，所以用户端讯号传输能力将成为WiMAX涵盖范围的瓶颈。而穿透式中继站的加入，正好可以加强用户端的传输能力，以增加网路涵盖的范围。借此则可有效降低目前的营运成本，并在服务范围内提供良好的讯号品质。

最后则是对于室内穿透力问题的解决。以实务来看，高传输量的使用者多半会静止地在室内，因此能够若满足此类的使用者，将会带给营运商最高的收益。换句话说，室内穿透力解决方案的优劣将变成市场决胜之关键，而穿透式中继站的主要功能正好能符合室内穿透力的加强。并且于微型基地台以及家用基地台做比较，无论在成本或是布建难度上，中继站都具有绝佳的优势。

---本文作者王吴祺任职于资策会网路多媒体研究所---